TOPCon의 환경 역설: 은 사용량 감소로 금속 소비를 41% 줄일 수 있지만, 전체 LCA 이야기는 더 복잡하다

서론: 이 연구가 지금 중요한 이유

이 기사는 2026년 2월에 온라인으로 게재된 Nature Communications 논문을 기반으로 합니다. “Maximising environmental savings from silicon photovoltaics manufacturing to 2035” by Bethany L. Willis et al. 이 연구는 PERC와 TOPCon 광전지 제조 간의 보다 완전한 수명 주기 비교를 제공하며, 오늘날의 생산 데이터에서 2035년 기술 및 그리드 시나리오까지 분석을 확장합니다.

2023년 말까지 전 세계 설치된 태양광 PV 용량은 이미 1 TWp를 초과했습니다. 장기 탈탄소화 시나리오에서 그 숫자는 2050년까지 약 80 TWp에 도달할 수 있습니다.이 성장은 에너지 전환에 필수적이지만, 종종 과소평가되는 제조 부담을 만듭니다. 이전 추정에 따르면 PV 제조 자체가 1.5°C 경로에서 남은 전 세계 탄소 예산의 최대 11%를 소비할 수 있습니다. 11% of the remaining global carbon budget under a 1.5 °C pathway.

시기가 중요한 이유는 주류 결정질 실리콘 산업이 빠르게 이동하고 있기 때문입니다. PERC 에서 TOPConTOPCon은 더 높은 효율을 제공하지만, 셀 구조, 도펀트, 패시베이션 층, 금속화는 PERC와 크게 다릅니다. 핵심 질문은 간단하지만 어렵습니다: 더 높은 효율이 환경 영향을 줄이는가, 아니면 추가 재료와 공정 복잡성이 이득을 상쇄하는가?

이 연구는 요람에서 문까지 수명 주기 평가를 사용하며, 석영 채굴에서 웨이퍼, 셀, 모듈 제조, 중부 유럽으로의 배송까지의 체인을 다룹니다. 기능 단위는 1 Wp, 그리고 영향 평가는 16개 범주에 걸쳐 EU EF v3.1 방법을 따릅니다. 기술 개발 가정은 ITRPV 2024 로드맵을 기반으로 하며, 전력 탈탄소화는 EIA 2023 저탄소 기술 비용 시나리오를 따릅니다. 제조 지역은 중국, 인도, 미국, 유럽을 포함하며, 불확실성 테스트에는 Monte Carlo 분석이 사용됩니다.

PERC vs TOPCon: 15개 범주에서 우수, 1개 범주에서 열세

2023년 중국 제조 및 중부 유럽 배송 기준 시나리오에서 TOPCon은 16개 환경 영향 범주 중 15개 에서 Wp당 기준으로 PERC보다 우수합니다. TOPCon이 열세를 보이는 유일한 범주는 금속 및 광물 자원 사용.

그림 1 | PERC와 TOPCon 간 6개 주요 영향 범주의 정규화 비교 및 백분율 차이.

금속 자원 영향의 +15.2% 증가는 주로 은과 관련이 있습니다. PERC 셀에서는 후면 금속화에 은과 알루미늄의 조합이 사용됩니다. TOPCon 셀에서는 전면과 후면 금속화 모두 은 페이스트에 더 많이 의존합니다. 결과적으로 TOPCon이 면적당 더 많은 전력을 생산하더라도 Wp당 은 수요는 여전히 중요한 환경 문제로 남아 있습니다.

이것이 역설의 첫 번째 층입니다: TOPCon은 대부분의 수명 주기 범주에서 더 깨끗하지만, 은 집약적인 금속화로 인해 금속 발자국이 더 나쁠 수 있습니다.

핫스팟 분석: 전기가 탄소를 지배하고, 은이 금속 사용을 지배

이 연구는 TOPCon 모듈 제조를 웨이퍼 생산, 셀 생산, 모듈 조립, 중부 유럽으로의 운송의 네 가지 주요 단계로 나눕니다. 결과는 서로 다른 환경 범주가 매우 다른 핫스팟에 의해 제어된다는 것을 보여줍니다.

웨이퍼 생산이 가장 큰 탄소 핫스팟

웨이퍼 스테이지는 16개 영향 범주 중 12개를 지배합니다. 논문에서 강조한 6개 주요 범주에서 웨이퍼 관련 전력 사용은 다음에 크게 기여합니다:

웨이퍼 전력 수요의 85% 이상은 폴리실리콘 환원 및 초크랄스키 결정 성장에서 발생합니다. 실질적으로 태양광 모듈의 탄소 발자국은 상류의 폴리실리콘 및 잉곳 생산에 사용된 전력 믹스에 크게 좌우됩니다.

셀 생산은 금속 사용의 핫스팟

셀 단계는 금속 자원 사용이 지배적인 유일한 단계입니다. 은 페이스트 금속화는 전체 모듈 금속 사용의 53.0% 및 셀 단계 내 금속 사용의 98.3%를 차지합니다. 다른 셀 단계 핫스팟으로는 폴리-Si 증착 및 PECVD용 실레인, 어닐링 전력, 용제 세척에서 발생하는 NMVOC 배출이 있습니다.

모듈 조립은 유리, 구리, 주석에 의해 주도됨

모듈 단계는 인간 독성 및 토지 이용에 크게 기여합니다. 주요 재료로는 전면 유리, 소다회, 유리 생산에 사용되는 중유, 구리, 주석이 있습니다. 주석은 상대적으로 소량 사용되지만 금속 사용 지표에 대한 기여는 여전히 눈에 띕니다.

운송은 해운이 지배하지만 해상 운송은 여전히 상대적으로 효율적

중국에서 유럽으로의 배송의 경우 운송 영향은 절대적 측면에서 해상 운송이 지배적입니다. 그러나 톤-킬로미터당 해상 운송은 도로 운송보다 훨씬 깨끗합니다. 운송은 탄화수소 연료 및 물류 인프라로 인해 특히 광화학 오존 형성에 기여합니다.

그림 2 | 웨이퍼, 셀, 모듈 및 운송 단계의 6개 주요 영향 범주에 대한 핫스팟 기여도.

제조 지역 및 시간 전망: 유럽이 선도하지만 2035년에는 반전

논문은 2023년부터 2035년까지 중국, 인도, 미국, 유럽에서의 TOPCon 제조를 모델링합니다. 현재 전력 믹스와 미래의 탈탄소화된 그리드 시나리오를 모두 고려합니다. 효율, 은 사용량, 폴리실리콘 소비, 웨이퍼 두께와 같은 기술 매개변수는 ITRPV 가정에 따라 매년 개선됩니다.

그림 3 | 2023년부터 2035년까지 제조 지역별 6개 주요 영향 범주. 실선은 현재 그리드, 점선은 미래 탈탄소화 그리드를 나타냅니다.

몇 가지 발견 사항이 눈에 띕니다.

가장 반직관적인 결과는 금속 사용 역설입니다. 더 깨끗한 전력 시스템은 탄소 배출을 줄이지만, 재생 에너지 인프라는 더 많은 희소 금속을 요구할 수 있습니다. EF v3.1에서 은 및 희토류 원소와 같은 희소 금속은 높은 특성화 계수를 가집니다. 미래 그리드 가정 하에서 미국은 2035년까지 가장 높은 금속 사용 사례가 되며, 유럽은 그리드 시나리오에서 PV 비중이 상대적으로 작기 때문에 가장 낮은 수준을 유지합니다.

즉, 탈탄소화는 기후 계정을 개선하지만, 시스템이 금속 집약적인 청정 에너지 인프라에 의존한다면 광물 자원 계정을 악화시킬 수 있습니다.

2035년까지 글로벌 배포: 최대 8.2 Gt CO₂eq 절감 가능

ITRPV 출하 전망을 사용하여, 이 연구는 PERC가 2034년까지 시장에서 퇴출되고 TOPCon이 지배적인 후속 기술이 된다고 가정합니다. 그런 다음 다양한 지역 제조 및 그리드 시나리오에서 누적 글로벌 제조 영향을 계산합니다.

그림 4 | 글로벌 PERC 및 TOPCon 배포에 대한 누적 기후 변화 및 금속 사용 영향. 음영 영역은 현재와 미래 그리드 시나리오 간의 차이를 나타냅니다.

주요 결과는 다음과 같습니다:

• 2035년 이전 누적 PERC 및 TOPCon 제조 배출량은 상한 약 13.8 Gt CO₂eq.

• 제조 위치 최적화 및 전력 탈탄소화로 최대 8.2 Gt CO₂eq.

• 이 절감량은 약 2019년 전 세계 인위적 순 온실가스 배출량의 13.9%.

• 가정된 EIA 미래 시나리오 하에서 제조를 중국에서 유럽으로 이전하면 누적 GWP를 추가로 줄일 수 있습니다. 49.5%.

• 그리드가 탈탄소화됨에 따라 금속 사용 영향이 증가하며, 미래 가정 하에서 유럽이 가장 우수하고 미국이 가장 열악한 성과를 보입니다.

에너지 이점은 여전히 매우 강력합니다. 2023년부터 2035년까지 제조된 모듈은 가정된 30년 수명의 처음 12년 동안 약 94,602 TWh 를 생성할 것으로 예상됩니다. 제조 배출량은 약 2.26 Gt CO₂eq로 추정됩니다. 동일한 전력을 미래 지역 그리드로 생산하면 27~67 Gt CO₂eq가 배출됩니다. 보수적인 가정 하에서도 회피된 배출량은 25 Gt CO₂eq.

그림 5 | 태양광 PV 수명주기 탄소 집약도와 미래 지역 그리드 전력 집약도 비교.

민감도 분석: 그리드 믹스와 기술 선택이 결과를 바꾼다

이 연구는 어떤 요소가 가장 중요한지 식별하기 위해 여러 민감도 테스트를 수행합니다.

국가 라벨보다 하위 그리드 탄소 집약도가 더 중요합니다

그림 6 | 4개 지역의 하위 그리드 간 GWP 범위. 검은 선은 주요 모델에서 사용된 평균 그리드 기준을 보여줍니다.

중국은 약 0.32~0.58 kg CO₂eq/Wp의 가장 넓은 하위 그리드 범위를 가집니다. 가장 낮은 탄소 중국 하위 그리드는 유럽 기준 사례에 가깝습니다. 이는 '중국산' 또는 '유럽산'이라는 라벨이 진지한 탄소 회계에는 너무 광범위하다는 것을 의미합니다. 실제 그리드 연결, 현지 전력 구매 계약, 직접 재생 에너지 접근이 모듈이 EPEAT Climate+와 같은 저탄소 기준을 충족하는지 여부를 결정할 수 있습니다.

석탄이 가장 민감한 화석 연료 입력입니다

그림 7 | 16개 환경 범주에 걸친 개별 연료 비율의 ±5% 변화 영향.

를 포함한 9개 범주에서 가장 강한 영향을 미칩니다. +4.8% GWP 변화. 원자력 발전은 전리 방사선 지표에 강한 영향을 미치지만 다른 분야에서는 영향이 더 작습니다. 수력 발전은 이 민감도 테스트에서 16개 범주를 모두 줄이는 유일한 재생 에너지원으로, 수력 발전으로 구동되는 PV 제조가 LCA 관점에서 특히 유리할 수 있음을 시사합니다.

PV 지속 가능성의 다음 단계를 정의하는 네 가지 기술 레버

그림 8 | 효율 개선, 은 사용량 5 mg/W 감소, 웨이퍼 전력 소비 감소, 실란 감소의 민감도.

은 사용량 목표인 5 mg/W 는 Haegel et al.이 Science 2023에서 논의한 다중 테라와트 지속 가능성 임계값에서 비롯되었습니다. 이를 달성하면 금속 사용 영향이 급격히 줄어들지만 탄소, 미세먼지 또는 화석 에너지 영향은 해결되지 않습니다. 이것이 은 사용량의 주요 감소가 전체 환경 이야기가 아닌 이유입니다.

몬테카를로 불확실성 검증이 주요 결론을 확인함

그림 9 | 16개 환경 영향 범주에 대한 몬테카를로 신뢰도 결과.

10,000회의 몬테카를로 실행 후, PERC는 16개 범주 중 11개에서 시뮬레이션의 70% 이상에서 TOPCon보다 높은 영향을 보여줍니다. 기후 변화의 경우 신뢰 수준은 71.5%입니다. 오존층 파괴의 경우 98.7%에 도달합니다. 금속 사용은 반대 방향으로 이동하며 95.8% 신뢰도로, 기준 가정 하에서 TOPCon이 더 많은 금속 자원을 소비할 가능성이 매우 높음을 확인합니다.

산업적 시사점: TOPCon 전환은 긍정적이지만, 자동으로 지속 가능하지는 않다

이 연구 결과는 태양광 제조 산업에 몇 가지 실용적인 결론을 제시합니다.

• TOPCon이 PERC를 대체하는 것은 전반적으로 환경적으로 긍정적입니다, 그러나 은은 비용 문제일 뿐만 아니라 수명 주기 문제가 됩니다. 따라서 구리 도금 및 Ni/Cu/Ag 적층 기술은 비용 절감 옵션일 뿐만 아니라 금속 자원 지표를 줄이는 데에도 중요합니다.

• 웨이퍼 전기는 가장 큰 기후 핫스팟입니다. 폴리실리콘 저감과 단결정 성장이 주목해야 할 핵심 공정입니다. 탄소 발자국 규정 준수를 위해 제조 위치는 단순히 국가별이 아닌 하위 그리드 수준에서 평가해야 합니다.

• 저탄소 전기는 광물 상충 관계를 만들 수 있습니다. 탈탄소화된 그리드는 GWP를 낮추지만, 그리드 확장이 금속 집약적인 재생 에너지 시스템에 크게 의존한다면 금속 사용 지표는 상승할 수 있습니다.

• 효율 개선은 모든 범주에서 가장 깨끗한 수단입니다. 더 높은 모듈 효율은 전체 가치 사슬에서 Wp당 면적, 재료 및 에너지 수요를 줄입니다. TOPCon은 PERC보다 효율 레버리지가 강하지만, 그 이점은 은 소비를 줄임으로써 보호되어야 합니다.

Ooitech의 견해

태양광 모듈 제조 라인과 긴밀히 협력하는 장비 공급업체로서, 우리는 TOPCon 전환이 더 높은 셀 효율만으로는 진정으로 지속 가능한 생산 경로를 정의하기에 충분하지 않다는 것을 상기시켜 준다고 봅니다. 가장 중요한 공장 수준의 결정은 은 저감 공정 준비, 웨이퍼 측 전기 조달, 그리고 효율 개선을 실제 Wp당 재료 절감으로 전환할 수 있는 안정적인 공정 제어가 될 것입니다. 특히 TOPCon 또는 차세대 n형 제품용으로 설계된 향후 모듈 라인의 경우, 환경 성능은 장비, 재료 및 공장 에너지 전략이 얼마나 잘 함께 설계되는지에 점점 더 의존할 것입니다.